Holz und Holzwerkstoffe

Transkript

1 Werkstoffe III (Praktikum) Herbstsemester 2009 mittwochs, bis Uhr Name: Gruppe: Datum: Leitung: Dr. Daniel Keunecke (HIF E 29.2) Thomas Schnider (HIF B 56.2) Raum: HIF B 56 Wichtiger Hinweis: Abgabe der vollständig gelösten Übungen und der ausgewerteten Praktikumsversuche bis ca. eine Woche nach der Durchführung. Die Übungen können im roten Briefkorb in einem gekennzeichneten Schrank im Gang des E-Stockes beim Büro HIF E18 abgegeben werden. Korrigierte Exemplare können eine Woche nach dem letzten Praktikumstermin im entsprechenden grünen Briefkorb an derselben Stelle abgeholt werden.

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3 Praktikum Werkstoffe Teil Institut für Baustoffe, Holzphysik Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Niemz HIF E 25.2 niemzp@ethz.ch

4 Praktikum Werkstoffe Teil 1 Einleitung 3 2 Struktur und Aufbau von n Aufbau des Holzes Chemie des Holzes Anatomischer Aufbau des Holzes Holzwerkstoffe Einteilung von Holzwerkstoffen Struktur von Holzwerkstoffen Ausgewählte Holzwerkstoffe 9 3 Physikalische Eigenschaften des Holzes und der Holzwerkstoffe Dichte Verhalten gegenüber Feuchte Elastomechanische und rheologische Eigenschaften Wesentliche Einflussfaktoren Elastische Eigenschaften Festigkeitseigenschaften Überblick Zugfestigkeit Druckfestigkeit Biegefestigkeit Scherfestigkeit Rheologische Eigenschaften Zusammenstellung der Eigenschaften von n Wichtige Normen zur Holzphysik 24 Anhang A1 Praktikums-Ablauf 26 A2 Bericht 28 2

5 1. Einleitung Das vorliegende Skript bietet lediglich eine kurze Einführung in die physikalischen Eigenschaften des Holzes und der Holzwerkstoffe. Als weitergehende Literatur wird empfohlen: Bücher Bodig, J.; Jayne, B.A. (1993): Mechanics of wood and wood composites. Krieger Publishing Company, Malabar (Florida), 712 S. Dunky, M.; Niemz, P. (2002): Holzwerkstoffe und Leime. Springer Verlag, Berlin/Heidelberg, 954 S. Kollmann, F. ( ): Technologie des Holzes und der Holzwerkstoffe. 2 Bände. 2. Auflage, Springer Verlag, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1050 u S. Lohmann, U. et al. (2003): Holz-Lexikon. 2 Bände. 4. Auflage. DRW-Verlag, Leinfelden- Echterdingen, 734 u. 689 S. Niemz, P. (1993): Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe. DRW-Verlag, Leinfelden- Echterdingen, 243 S. Sell, J. (1997): Eigenschaften und Kenngrössen von Holzarten. 4. Auflage. Baufachverlag, Dietikon, 87 S. Vorreiter, L. (1949): Holztechnologisches Handbuch. Bd. 1; Verlag G. Fromme, Wien, 548 S. Wagenführ, R. (2007): Holzatlas. 6. Auflage. Fachbuchverlag, Leipzig, 816 S. Wagenführ, A.; Scholz, F. (2008): Taschenbuch der Holztechnik. Fachbuchverlag Leipzig im Hanser Verlag, 658 S. Fachzeitschriften Holz als Roh- und Werkstoff (Springer) Holz (Mering) Holzforschung (De Gruyter) Holztechnologie (Carl Hanser) Wood Research (Slovenský Drevársky Výskumný Ústav) Wood Science and Technology (Springer) Internetadressen E-Collection der ETH Zürich Holzphysik (Niemz et al. 2006) Holztechnologie I (Niemz et al. 2000) und II (Niemz 2003) Holzkunde I und II (Baum et al. 2002) 3

6 2. Struktur und Aufbau von n 2.1 Aufbau des Holzes Chemie des Holzes Holz besteht überwiegend aus organischen Verbindungen. Diese setzen sich aus folgenden Elementen zusammen (die Zusammensetzung schwankt innerhalb einer Baumart und innerhalb eines Stammes nur geringfügig): 50% Kohlenstoff 43% Sauerstoff 6% Wasserstoff < 1% Stickstoff < 1% Mineralstoffe Makromolekular setzt sich Holz aus den Zellwandkomponenten Zellulose, Hemizellulosen und Lignin zusammen. Hinzu kommen geringe Mengen niedermolekularer Bestandteile (Extrakt- und Mineralstoffe), die für die verschiedenen Holzarten in Art und Menge spezifisch sind. Diese Einlagerungen können den Zuschnitt, die Verleimung und die Imprägnierung des Holzes beeinflussen. Makromoleküle Zellulose Gerüstsubstanz der Zellwand (40-55%) Hemizellulosen Gerüstsubstanz der Zellwand (15-35%) Lignin "Füllsubstanz" im Zellulosegerüst, die die Verholzung der Zellwände verursacht Nadelholz: 28-41%, Laubholz: 18-25% Pektin Kittsubstanz in der Mittellamelle, die die Zellen im Gewebeverband zusammenhält Langkettige Makromoleküle Kurzkettige, verzweigte Makromoleküle Dreidimensionale Makromoleküle Dreidimensionale Makromoleküle Akzessorische Bestandteile Extraktstoffe (anorganische und organische Inhaltstoffe): Beeinflussen und bedingen oft die chemischen, biologischen und physikalischen Eigenschaften, z.b. Lichtbeständigkeit, Brennbarkeit, Schädlingsresistenz u.a. Fette, Öle, Harze, Wachse Eiweisse, Stärke, Zucker, Holzgummi Alkaloide, Gerbstoffe, Farbstoffe, Bitterstoffe, Riechstoffe, Kampfer Anorganische und organische Säuren, Salze Mineralstoffe 4

7 2.1.2 Anatomischer Aufbau des Holzes SCHNITTEBENEN DES HOLZES Bei der Betrachtung des Holzes werden drei Wachstumsrichtungen und drei Schnittebenen unterschieden. Aufgrund dieser Inhomogenität und Anisotropie ist die Beurteilung und Bestimmung von Holzeigenschaften stark von der Belastungsrichtung bzw. Bezugsebene abhängig. L Wachstumsrichtungen RT L R T Longitudinal Radial Tangential LT LR T Schnittebenen LT Tangential- bzw. Fladerschnitt RT Hirnfläche bzw. Querschnitt LR Radial- bzw. Riftschnitt R Querschnitt Die einzelnen Jahrringe des Baumes sind mit blossem Auge als konzentrische Ringe zu erkennen. Radialschnitt Im einfachsten Falle wird der Radialschnitt hergestellt, indem der Stamm in der Mitte von der Markröhre bis zur Rinde in Längsrichtung durchtrennt wird. Tangentialschnitt Ein Längsschnitt wird z.b. im äusseren Bereich des Stammsegments angesetzt. Die einzelnen Jahrringe treten unregelmässig fladerig in Erscheinung. Die radial verlaufenden Holzstrahlen sind im Querschnitt zu sehen. LAUBHOLZ/NADELHOLZ Holz ist aus einzelnen Zellen aufgebaut, die sich jeweils in ihrem Zellwandaufbau unterscheiden. Tüpfel dienen der Verbindung zwischen Zellen zum Wasser- und Stofftransport. Nadelhölzer sind entwicklungsgeschichtlich älter als Laubhölzer und relativ einfach aufgebaut. Sie verfügen über zwei Zelltypen: Tracheiden: Sie dienen der Wasserleitung (Frühholztracheiden) und der Stabilität (Spätholztracheiden). Parenchymzellen: Sie dienen der Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Reservestoffen. Laubhölzer sind deutlich differenzierter aufgebaut. Sie verfügen über viele Zelltypen mit spezialisierten Funktionen. Die wichtigsten sind die Gefässe (Wasserleitung) und Fasertracheiden (Festigung). Ferner dienen Längs- und Holzstrahlparenchym der Speicherung von Nährstoffen. Nachfolgende Abbildung zeigt schematisch den zellulären Bau von Laub- und Nadelholz. 5

8 Schematischer Aufbau von Nadelholz (links) und Laubholz (rechts) JAHRRINGE/ZUWACHSZONEN Die jährlichen Zuwächse sind bei einheimischen Holzarten in Form von Jahrringen sehr gut erkennbar (periodisches Wachstum, das eng an Temperatur und Wasserversorgung gekoppelt ist). An den Jahrringen lässt sich das Alter eines Baumes ablesen. Sie bestehen aus einzelnen Holzzellen, welche sich als Früh- und Spätholz differenzieren lassen. Frühholz wird im Frühjahr gebildet und zeichnet sich durch dünne Zellwände und grosse Lumina aus. Damit dient es vornehmlich der Wasserleitung. Spätholz wird im Sommer/Herbst gebildet, besitzt dicke Zellwände, kleine Lumina und erfüllt vorwiegend eine Stütz- und Festigungsfunktion. Früh- und Spätholz weisen daher einen hohen Dichteunterschied auf. Da alle Eigenschaften des Holzes dichteabhängig sind, hat auch der Früh- und Spätholzanteil einen Einfluss auf die Eigenschaften. In Gebieten ohne ausgeprägte Jahreszeiten (Tropen) kommt es meist nicht zur Ausbildung von Jahrringen. Es sind Zuwachszonen zu erkennen, die während der Wachstumsphasen entstehen und nicht mit den Jahren korrelieren. SPLINTHOLZ UND KERNHOLZ Während des jahrelangen Wachstums eines Baumes kommt es zur Zelldifferenzierung über den Stammquerschnitt. Der innere Holzteil, der nicht an der Wasserleitung beteiligt ist, wird allgemein als Kernholz bezeichnet, der äussere Teil als Splintholz. Kern- und Splintholz können in Farbe, Zusammensetzung, Feuchtegehalt und Dichte variieren, und demzufolge auch in den Eigenschaften. Die so genannte Verkernung durch strukturelle und chemische Änderungen verläuft bei den einzelnen Holzarten unterschiedlich: Kernholzbäume bilden einen regelmässigen Farbkern aus. Der Splint ist feuchter als der Kern. Zu den Kernholzbäumen gehören sowohl Nadel- (wie Kiefer und Lärche) als auch Laubbäume (wie Eiche und Robinie). Kernreifholzbäume: zwischen Farbkern und Splint liegt eine Übergangszone (geringere Feuchte als der Splint, farblich nicht zu unterscheiden). Zu den Kernreifholzbäumen gehören die Ulme (Rüster), Weide und die Esche (Braunkern fakultativ). Reifholzbäume besitzen ein helles Kernholz. Sie weisen über den gesamten Querschnitt keinen Farbunterschied auf. Der Splint ist feuchter als der Kern. Zu den Reifholzbäumen gehören die 6

9 Nadelbäume Fichte und Tanne oder z.b. Laubbäume wie Rotbuche (Rotkern fakultativ) oder Birnbaum. Splintholzbäume weisen keine Farb- und Feuchteunterschiede zwischen Aussen- und Innenholz auf. Zu den Splintholzbäumen gehören Aspe, Birke, Erle und Weissbuche. REAKTIONSHOLZ An Stämmen von Nadel- und Laubbäumen, die geneigt bzw. starken Windbelastungen ausgesetzt sind, findet man genauso wie an Ästen das so genannte Reaktionsholz. Dieses hat die Aufgabe, die ursprüngliche Wachstumsrichtung von Ast und Stamm beizubehalten bzw. wiederherzustellen. Die Ausbildung von Reaktionsholz führt oft zu einer einseitigen Förderung des Wachstums: der Stammbzw. Astquerschnitt ist nicht mehr rund, sondern exzentrisch geformt. Bei Nadelbäumen bildet sich druckbelasteten Seite durch verstärkte Lignineinlagerung so genanntes Druckholz. Bei Laubbäumen wird an der zugbelasteten Seite Zugholz durch verstärkte Zelluloseeinlagerung gebildet. 2.2 Holzwerkstoffe Einteilung von Holzwerkstoffen Die Eigenschaften von Holzwerkstoffen lassen sich über die Struktur stark variieren. Sie werden üblicherweise in folgenden Gruppen eingeteilt: Werkstoffe aus Holz Vollholz- Werkstoffe Massivholzplatten Brettschichtholz (BSH) Kreuzbalken Lamelliertes Holz Brettstapelplatten vorgefertigte Elemente Furnier- Werkstoffe Furnier-Schichtholz (Laminated Veneer Lumber, LVL) Sperrholz Furnierstreifenholz (Parallam) Span- Werkstoffe Spanplatte Oriented Strand Board (OSB) Spanstreifenholz (Laminated Strand Lumber, LSL) Waferboard Strangpressplatte Scrimber Spezialplatten Faser- Werkstoffe mitteldichte Faser- Platte (MDF) Poröse Faserplatte (SB) Harte Faserplatte (HB) Verbund- Werkstoffe Tischlerplatte Stäbchensperrholz Parkett-Verbundplatten Sperrtüren etc Struktur von Holzwerkstoffen Bei allen Holzwerkstoffen erfolgt zunächst eine Auflösung der natürlichen Holzstruktur in untergeordnete Elemente und anschliessend eine dem jeweiligen Einsatzfall angepasste Neuanordnung. Allgemein steigen die Anforderungen an die Holzqualität mit sinkendem Aufschlussgrad des Holzes. So sind sie bei Brettschichtholz und Lagenhölzern deutlich höher als bei Spanplatten. Die Eigenschaften aller Holzwerkstoffe werden u.a. durch folgende Parameter bestimmt: Eigenschaften der Strukturelemente (Festigkeit, Elastizitäts- u. Schubmoduln) Lage und Orientierung der Strukturelemente zur Belastungsrichtung (z.b. ist die Festigkeit senkrecht zur Faserrichtung mehrfach geringer als die Festigkeit in Faserrichtung) Abmessungen der Strukturelemente Überlappungslängen der Strukturelemente (dies gilt sowohl für aus Lamellen verklebte Werkstoffe auf Vollholzbasis als auch für Partikelwerkstoffe) Güte der Verbindung der Strukturelemente (z.b. Klebstoffart, Faserwinkel, Klebfugenfestigkeit, Geometrie von Keilzinken, insbesondere deren Flankenwinkel); bei Keilzinkenverbindungen wird deren Festigkeit primär durch den Flankenneigungswinkel (nicht durch die Länge der Zinken) bestimmt 7

10 Ausbildung eines Dichte-/Festigkeitsprofils über den Querschnitt (Spanplatten, MDF, Sandwich- Prinzip von Verbundwerkstoffen, Anordnung der festeren Lagen in den Randzonen bei Brettschichtholz) Rohdichte des Holzwerkstoffes (insbesondere die Dichte von Partikelwerkstoffen ist meist deutlich höher als die des eingesetzten Rohmaterials) KLEBSTOFFE Zur Herstellung von Holzwerkstoffen wird üblicherweise Klebstoff benötigt (Ausnahme: im Nassverfahren hergestellte Faserplatten). Klebstoffen sind Materialien, die Werkstoffe ohne mechanisch wirkende Verbindungsmittel (Nägel, Bolzen etc) fest verbinden können. Sie verbinden Werkstoffe durch Oberflächenhaftung (Adhäsion) und ihre innere Festigkeit (Kohäsion). Je nach Holzwerkstoff und Einsatzzweck werden unterschiedliche Leimtypen verwendet. Folgende Holzfeuchten gelten für die einzelnen Verleimungsklassen nach DIN 68800: Verleimungsklasse V20: Holzfeuchte < 15% (Faserplatten 12%) Verleimungsklasse V100: Holzfeuchte < 18% Verleimungsklasse V100G: Holzfeuchte bis 21% (mit Pilzschutzmitteln) Klebstoffe setzen sich im Allgemeinen zusammen aus flüchtigen Stoffen (Lösungsmittel, Dispersionsmittel, Verdünnungsmittel) nichtflüchtigen Bestandteilen (Bindemittel, Pigmente, Füllstoffe, Streckmittel, Hilfsstoffe wie Härter, Beschleuniger, Verzögerer) EINTEILUNG DER KLEBSTOFFE Eine gängige Einteilung der Klebstoffe richtet sich nach der Art und Weise des Abbindens resp. Aushärtens. Einteilung der Klebstoffe physikalisch abbindend chemisch reagierend - Weissleim (PVAc-Emulsion) - Kautschukkleber - natürliche Leime Polyaddition Isocyanate (PMDI) Epoxidharze (EP) Polyurethane (PUR) ungesättigte Polyesterharze Polykondensation Harnstoffharze (UF) Melaminharze (MF) Phenolharze (PF) Resorzinharze (RF) 8

11 2.2.3 Ausgewählte Holzwerkstoffe WERKSTOFFE AUF VOLLHOLZBASIS Werkstoffe auf Vollholzbasis plattenförmig stabförmig Verbund-Elemente einschichtig mehrschichtig Brettschichtholz Lamelliertes Holz (einschliesslich Profile) Kreuzbalken Hohlkastenträger Elemente mit Wärme- / Schalldämmung Wichtigste Einflussgrössen auf die Eigenschaften von Holzwerkstoffen auf Vollholzbasis sind: die Güte des eingesetzten Holzes (Festigkeitssortierung bei Brettschichtholz) die Art der Längsverbindung der Elemente (stumpfer Stoss, Keilzinkung) der Schichtaufbau (z.b. Verhältnis der Dicke der Decklagen zur Dicke der Mittellagen sowie die Orientierung der Lagen bei Massivholzplatten) die Schnittrichtung der Lagen (bei Massivholzplatten kann durch Riftschnitt = stehende Jahrringe die Formbeständigkeit der Platten deutlich erhöht werden, da das Quell-/Schwindmass radial deutlich geringer ist als tangential) technologische Parameter wie Pressdruck und Klebstoffanteil WERKSTOFFE AUF FURNIERBASIS Lagenholzwerkstoffe Verdichtung / Klebstoffgehalt unverdichtet (Normal-Lagenholz) verdichtet (Presslagenholz) verdichtet und mit Kunstharz getränkt (Kunstharz-Presslagenholz) (Parallam) Furnier- Partikel- Werkstoffe Faserverlauf in den Furnierlagen parallel (Schichtholz, LVL) unter einem Winkel von 90 (Sperrholz) unter einem Winkel von 15 (Sternholz) Die Eigenschaften können durch Furnierdicke (Aufbaufaktor), Dichte und Leimgehalt wesentlich beeinflusst werden. Sperrholz wird für Spezialzwecke auch in grossen Dicken gefertigt. Neben dem konventionellen Sperrholz werden hochverdichtete und kunstharzimprägnierte Sperrhölzer für den Formenbau hergestellt und Spezialprodukte wie Ski- und Snowboard-Kerne sowie Formteile aus Sperrholz für die Möbelindustrie und den Fahrzeugbau gefertigt. 9

12 WERKSTOFFE AUF SPANBASIS Spanwerkstoffe Herstellungs- Verfahren Spanart / Orientierung Querschnittsstruktur Rohdichte Klebstoff- / Bindemittelart Formaldehydabgabe Oberfläche Beständigkeit flachgepresst kalandriert stranggepresst Formteile Schneidspäne Schlagspäne Fremdspäne Normalspan- Deckschicht Feinspan- Deckschicht Wafer Flake Laminated Strand Lumber (LSL) Oriented Structural Board einschichtig dreischichtig mehrschichtig stufenlos homogene Querschnittsstruktur niedrig mittel hoch Harnstoffharz Phenolharz Melaminharz Isocyanatharz Mischharze Zement Gips Tannine sehr niedrig niedrig mittel hoch pressblank geschliffen beschichtet feuchtegeschützt biogeschützt schwer brennbar Werkstoffe auf Spanbasis sind heute der weltweit dominierende Holzwerkstoff. Klassifizierungsmerkmale sind das Herstellungsverfahren (flachgepresst, kalandergepresst, stranggepresst) die Grösse der Teilchen (Spanplatte, grossflächige Späne (Wafer), lange schlanke Späne (OSB), andere Späne) der Plattenaufbau (einschichtig, mehrschichtig, etc.) der Verwendungszweck (allgemeine Zwecke, tragende oder aussteifende Zwecke, spezielle Zwecke) WERKSTOFFE AUF FASERBASIS Faserwerkstoffe Rohdichte Querschnittsstruktur Klebstoffart Oberfläche Beständigkeit sonstige Formaldehydabgabe weich mittlere Dichte hart extrahart einschichtig dreischichtig mehrschichtig stufenlos homogene Querschnittsstruktur Harnstoffharz Phenolharz Bitumen holzeigene Bindemittel pressblank geschliffen beschichtet feuchtegeschützt biogeschützt schwer brennbar Sonderbehandlung (z.b. Lochen) sehr niedrig niedrig mittel hoch Nach EN 216 werden Faserplatten wie folgt unterteilt: Poröse Faserplatten Harte Faserplatten Mitteldichte Faserplatten (MDF) VERBUNDWERKSTOFFE Dazu zählen einerseits Werkstoffe aus Holz und Zusatzstoffen (z.b. mineralgebundene Holzwerkstoffe: Platten aus Holzspänen, -fasern oder -wolle, die mit Portlandzement, Gips oder anderen mineralischen Bindemitteln gebunden sind; Wood plastic composites: Verbund von Holzfasern (oder -spänen) mit Kunststoff zu Spritzgusselementen). Die andere Gruppe bilden Werkstoffe, die aus verschiedenen (Holz-)Werkstoffen zusammengesetzt sind. Die Graphik gibt eine Einteilung von Verbundplatten auf Grund ihrer Mittellage. Dabei handelt es sich um ein mehrschichtiges Material, mit meist hochfesten Decklagen und einer Mittellage aus einem leichteren Kern. 10

13 Verbundwerkstoffe Vollholzmittellage Spanplattenmittellage Hohlraummittellage Schaumstoffmittellage Weitere Beispiele von Verbundwerkstoffen: Träger aus n OSB mit MDF- oder HDF- Decklagen Mehrschichtig aufgebaute Parkettböden Lamellierte Fensterkanteln (zum Teil mit Innenlagen aus Schaumstoffen) Vorgespannte Bauteile aus Massivholz oder auch Holzwerkstoffen ENGINEERED WOOD PRODUCTS Unter Engineered Wood Products versteht man eine Gruppe von verschiedenen Holzwerkstoffen, die insbesondere für tragende Zwecke im Bauwesen eingesetzt werden. Prinzipiell handelt es sich dabei um Spezialprodukte herkömmlicher Holzwerkstoffe. Für diese Werkstoffe gelten weitgehend die wissenschaftlichen Grundlagen von Spanplatten und Lagenholz. Furnierschichtholz (Laminated Veneer Lumber, LVL) Furnierschichtholz wird aus weitgehend faserparallel verklebten Furnierlagen (meist aus Nadelholz hergestelltes Schälfurnier, Furnierdicke bis ca. 3 mm) gefertigt. Teilweise werden einige Lagen senkrecht orientiert, um die Festigkeit senkrecht zur Faserrichtung der Decklagen zu erhöhen. Furnierstreifenholz (Parallel Strand Lumber; PSL; Parallam) Dabei handelt es sich um einen Furnierwerkstoff, welcher aus Schälfurnier gefertigt wird. Das Furnier (ca. 3 mm dick) wird in ca. 13 mm breite und bis zu 2,5 m lange Streifen geschnitten, beleimt und zu Profilen verklebt. Das Material wird für Balken, vielfach auch für Verstärkungen (z.b. zur Aufnahme von Druckkräften) eingesetzt. Spanstreifenholz (Laminated Strand Lumber; LSL) Darunter wird ein Spezialprodukt von OSB (Oriented Strand Board) mit extrem langen (ca. 300 mm) Spänen verstanden. Der Einsatz erfolgt überwiegend im Holzbau für statisch belastete Elemente. Scrimber Dabei handelt es sich um einen Werkstoff, bei dem durch ein nicht-zerspanendes Zerlegen von Holz (Zerquetschen von Rundholz) erzeugte Partikeln unter Anwendung von Druck und Wärme verleimt werden. Die Partikel sind relativ lang und schwer manipulierbar. Verbundsysteme Hierunter werden z.b. die im Bauwesen eingesetzten Träger mit Stegen aus Spanplatten und Zugoder Druckgurten aus Furnierschichtholz oder auch Vollholz (zum Teil auch aus OSB) verstanden. Auch Verbundplatten mit Kernen aus n sowie hochfeste Decklagen können in diese Gruppe eingeordnet werden. 11

14 3 Physikalische Eigenschaften des Holzes und der Holzwerkstoffe 3.1 Dichte Die Rohdichte beeinflusst nahezu alle Eigenschaften massgeblich (z.b. Festigkeit, Elastizität, Schwind- und Quellmasse, Wärmeleitfähigkeit). So steigen mit zunehmender Dichte Festigkeit und Quellung sowie die Wärmeleitzahl. Die Dichte liegt zwischen 100 kg/m 3 (Balsa) und 1200 kg/m 3 (Pockholz). Infolge des hygroskopischen Verhaltens des Holzes ist die Dichte feuchteabhängig (s. Grafik). Es sollte daher immer bei der Angabe der Dichte auch die Holzfeuchte mit angegeben werden. Die Rohdichte wird folgendermassen berechnet (vgl. DIN 52182): m = u ρ u [kg/m 3 ] Vu ρ Rohdichte m Masse V Volumen u Holzfeuchte [%] Neben der Rohdichte werden auch weitere Dichtedefinitionen für Holz verwendet: Darrdichte (Rohdichte im darrtrockenen Zustand: Masse darrtrocken/volumen darrtrocken) Normal-Rohdichte (Rohdichte im Normalklima bei 20 C/65% rel. Luftfeuchte; für die meisten europäischen Hölzer entspricht dies einer Holzfeuchte von ca. 12%) Raumdichtezahl (Masse darrtrocken/volumen im maximal gequollenen Zustand (= ab Fasersättigung aufwärts)) Reindichte (Masse des darrtrockenen Holzes/ Volumen der reinen Zellwand, ohne Hohlräume). Die Reindichte beträgt für alle Holzarten einheitlich ca kg/m 3. Die nebenstehende Graphik zeigt den Einfluss der Holzfeuchte auf die Rohdichte. 3.2 Verhalten gegenüber Feuchte Kenngrösse zur Beurteilung des Wasseranteils ist der Feuchtegehalt (DIN 52183). Dieser berechnet sich zu: mu mdtr u = 100 (%) mdtr u Feuchtegehalt m u Masse des Holzes im feuchten Zustand Masse des Holzes im darrtrockenen Zustand m dtr 12

15 GRENZZUSTÄNDE DES SYSTEMS HOLZ-WASSER Holz ist ein kapillarporöses System. Sowohl in die Makro- als auch die Mikroporen (Poren im Zellwandsystem) des Holzes können sich Wassermoleküle einlagern. Drei Grenzzustände des Systems Holz-Wasser werden unterschieden: Darrtrocken: Es ist kein Wasser im Holz vorhanden, Holzfeuchte 0%. Fasersättigung: Das gesamte Mikrosystem der Zellwand (intermicellare und interfibrillare Hohlräume) ist maximal mit Wasser gefüllt. Die Holzfeuchte liegt etwa bei 28-32%; ein gewisser Einfluss der Holzart ist vorhanden. Wassersättigung: Das Mikro- und Makrosystem des Holzes ist maximal mit Wasser gefüllt. Die Holzfeuchte liegt je nach Dichte des Holzes zwischen 31% (Pockholz) und 770% (Balsa)). Der über Sorption bis zur Fasersättigung aufgenommene Wasseranteil im Holz wird als gebundenes Wasser bezeichnet. Das oberhalb des Fasersättigungsbereiches eingelagerte Wasser wird als freies Wasser bezeichnet. SORPTIONSVERHALTEN Holz ist hygroskopisch und nimmt Wasser aus der Luft durch Sorption auf bzw. gibt dieses durch Desorption an die Luft ab. Dies gilt bis zu einer relativen Luftfeuchte von 100%. Bei dieser Luftfeuchte wird der so genannte Fasersättigungsbereich erreicht. Einer bestimmten Temperatur und rel. Luftfeuchte ist also eine holzartenspezifische Holzfeuchte zugeordnet. Wird die rel. Luftfeuchte reduziert, kommt es zur Desorption. Zwischen Adsorption und Desorption wird ein Hysterese-Effekt beobachtet, d.h. bei Desorption ist die Holzfeuchte um 1-2% höher als bei der Adsorption. Hysterese-Effekt zwischen Adsorption und Desorption Die Feuchteaufnahme und -bindung zwischen darrtrockenem und fasergesättigtem Holz wird unterteilt in: Chemisorption (Bildung einer monomolekularen Wasserschicht) Physisorption oder physikalische Adsorption (Bildung einer polymolekularen Wasserschicht) Kapillarkondensation (Kondensation des Wassers in den Kapillaren) Oberhalb des Fasersättigungsbereiches nimmt Holz flüssiges Wasser durch Kapillarkräfte auf. Der Feuchtetransport im Holz erfolgt nach den Gesetzen der Kapillarphysik (von weiten in Richtung enger Kapillaren). Unterhalb der Fasersättigung erfolgt der Feuchtetransport durch Diffusion. Durch Tüpfelverschluss (z.b. bei Fichte) oder Verthyllung der Laubhölzer (z.b. bei Akazie, Eiche, Edelkastanie) wird die kapillare Feuchteaufnahme stark reduziert, was sich auch beim Tränken mit Holzschutzmitteln in einer geringen Tränkmittelaufnahme äussert. Ebenso ist ein Einfluss auf das Trocknungsverhalten vorhanden. 13

16 QUELLEN UND SCHWINDEN Bei der Feuchteänderung innerhalb des hygroskopischen Bereiches bis zur Fasersättigung kommt es zu Dimensionsänderungen. Bei Feuchteaufnahme kommt es zum Quellen, bei Feuchteabgabe zum Schwinden. Das Quell- und Schwindverhalten in den drei Hauptschnittrichtungen unterscheidet sich wesentlich. In Faserrichtung ist das Quellen und Schwinden gering. Holz quillt in Radialrichtung 10-20mal und tangential 15-30mal stärker als in Faserrichtung. Mit zunehmender Rohdichte nimmt das Ausmass der Quellung zu. Zudem bestehen grosse Unterschiede im Quellverhalten zwischen den Holzarten. Häufig wird anstelle der maximalen Quellbzw. Schwindmasse (Dimensionsänderung vom maximal gequollenem Zustand bezogen auf den Darrzustand) die differentielle Quellung in % Quellung pro % Feuchteänderung angegeben (%/%). Quellung und Schwindung von Holz nach DIN maximales Quellmass (%) differentielles Quellmass (%/%) längs radial tangential radial tangential Fichte 0,2-0,4 3,7 8,5 0,19 0,36 Kiefer 0,2-0,4 4,2 8,3 0,19 0,36 Lärche 0,1-0,3 3,4 8,5 0,14 0,30 Buche 0,2-0,6 6,2 13,4 0,20 0,41 Eiche 0,3-0,6 4,6 10,9 0,18 0,34 Teak 0,2-0,3 2,7 4,8 0,16 0,26 Wird Holz beim Quellen bzw. Schwinden behindert (z.b. bei senkrecht zueinander verklebten Schichten in Massivholzplatten), entstehen innere Spannungen, die zu plastischen Verformungen und bei Überschreiten der Festigkeit schliesslich zu Rissen führen können. Neben den inneren Spannungen im Material entstehen bei fester Einspannung der Proben auch erhebliche Quelldrücke. So wurde das Quellen des Holzes bereits in der Antike zum Sprengen von Steinen verwendet. Die Quellungsanisotropie des Holzes führt dazu, dass sich das trocknende Holz bei schräg verlaufenden Jahrringen stark verzieht. Auch lokale Inhomogenitäten (Dichteschwankungen, abweichende Jahrringlagen) führen bei langzeitiger Wechselklimalagerung zu unruhigen Oberflächen. Durch Oberflächenbeschichtung kann die Feuchteaufnahme des Holzes deutlich verzögert werden. MESSVERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DES FEUCHTEGEHALTES Als Basismethode dient die Darrmethode. Dabei wird die Probe im feuchten und im darrtrockenen Zustand gewogen. Zur Bestimmung der Darrmasse erfolgt eine Trocknung bei 103 C bis zur Massekonstanz. Anschliessend wird die Probe in einem Exsikkator abgekühlt, und die Masse im darrtrockenen Zustand ermittelt. Der Feuchtegehalt wird nach oben genannter Gleichung berechnet. Weitere Methoden sind: Elektrische Widerstandsmessung (on- und offline) Mikrowellenverfahren Dielektrische Feuchtemessung Optische Verfahren auf Basis der NIR-Spektroskopie Neutronenradiographie; mit dieser Methode können auch lokale Feuchteverteilungen quantitativ nachgewiesen werden BEDEUTUNG DER HOLZFEUCHTE Die Holzfeuchte beeinflusst alle Eigenschaften des Holzes wesentlich. Mit zunehmender Holzfeuchte sinkt die Festigkeit, steigt die Wärmeleitfähigkeit und erhöht sich die Anfälligkeit gegenüber holzzerstörenden Pilzen. Die Bauteilgrösse hat einen deutlichen Einfluss auf die Gleichgewichtsfeuchte und das Quell- und Schwindverhalten. Bei grossen Querschnittsabmessungen (z.b. bei Brettschichtholz), wird bei 14

17 Klimawechsel die dem Klima entsprechende Gleichgewichtsfeuchte meist nur in den Randzonen erreicht. Als Folge eines sich über dem Holzquerschnitt einstellenden Feuchteprofiles entstehen innere Spannungen, Verformungen und bei Überschreiten der Festigkeit häufig Risse. Durch die Überlagerung von äusseren mechanischen Beanspruchungen und inneren Spannungen kann das Verhalten von Bauteilen wesentlich beeinflusst werden. Dies hat z.b. Einfluss auf das Kriechen oder auch auf die Festigkeit von unter Dauerlast beanspruchten Holzkonstruktionen. So kann es z.b. durch Überlagerung von mechanischer Zugbelastung und Schwinden in den Randzonen eines Balkens dazu kommen, dass Holz in der Trocknungsphase unter Dauerlast versagt, da sich mechanische Belastung und Schwindspannungen addieren, in der Befeuchtungsphase dagegen kein Versagen auftritt, da sich Zugbelastung und Quellungspannungen subtrahieren. 3.3 Elastomechanische und rheologische Eigenschaften Wesentliche Einflussfaktoren Alle Eigenschaften des Holzes werden beeinflusst durch: den strukturellen Aufbau (z.b. Rohdichte, Schnittrichtung, Jahrringbreite, Faserlänge). die Umweltbedingungen (insbesondere Feuchte und Temperatur) die Vorgeschichte (z.b. mechanische oder klimatische Vorbeanspruchung, Schädigung durch Pilze oder Insekten). Die Eigenschaften variieren stark sowohl innerhalb eines Stammes als auch mit dem Standort. Auch das Alter des Holzes hat einen gewissen Einfluss. Juveniles Holz (im Zentrum des Stammes, im Bereich der Markröhre, liegendes Holz) hat andere Eigenschaften als adultes. Die ersten Jahrringe sind weitlumiger und haben eine geringere Dichte. Die Eigenschaften des Holzes streuen erheblich stärker als die von Holzwerkstoffen. Zur groben Orientierung dienen folgende Variationskoeffizienten (V) für Vollholz (Lohmann et al. 2003): für die Rohdichte: V = 10% für die Biegefestigkeit: V = 16% für den E-Modul: V = 22% für die Bruchschlagarbeit: V = 30% Die Schnittrichtung beeinflusst alle Eigenschaften massgeblich. Holz kann stark vereinfacht als inhomogenes und orthotropes Materialsystem mit den 3 Hauptachsen längs, radial und tangential betrachtet werden. Die Prüfmethodik (Probengeometrie, Belastungsgeschwindigkeit, Art der Belastung (Zug, Druck, Biegung, Schub)) ist von entscheidendem Einfluss auf das Prüfergebnis. Die an kleinen, fehlerfreien Proben bestimmten Eigenschaften sind meist nicht direkt auf Bauteile übertragbar. Dies betrifft sowohl mechanische Eigenschaften als auch das Quellen und Schwinden Elastische Eigenschaften Die Elastizität ist die Eigenschaft fester Körper, einer durch äussere Kräfte bewirkten Verformung entgegen zu wirken. Ausgangspunkt für die Verallgemeinerung des Hooke schen Gesetzes auf den dreidimensionalen Spannungs- und Verzerrungszustand sind die in der nachfolgenden Abbildung dargestellten positiven Spannungen und Verzerrungen in einem Körper, dessen Kanten parallel zum Bezugsystem liegen. Gleiche Indizes führen zu Normalspannungen, ungleiche zu Schubspannungen. Der Spannungs- und der Verzerrungstensor werden als symmetrische Tensoren vorausgesetzt, d.h. es gilt ij = ji und ε ij = ε ji. Von den 6 Schubspannungen sind also nur 3 voneinander unabhängig. Nimmt der Körper nach der Entlastung seine Ursprungsform vollständig wieder an, so spricht man von einem ideal elastischen Körper. Zwischen Spannung und Dehnung besteht bei ideal elastischen Körpern ein linearer Zusammenhang (Hooke sches Gesetz). 15

18 Positive Spannungen und Verzerrungen im Bezugssystem Spannungs-Dehnungsdiagramm von Vollholz (einachsige Belastung) Für die Dehnung bei Normalspannungen gilt: Δl ε = l Innerhalb des elastischen Bereiches gilt (Hooke sches Gesetz): σ = ε E τ = G γ Δl Längenänderung l Anfangslänge ε Dehnung (%): Körper ändert Abmessungen, d.h. Volumen aber nicht die Gestalt γ Gleitung (Schubwinkel): Körper ändert Gestalt, aber nicht Volumen E Elastizitätsmodul (N/mm 2 ) G Schubmodul (N/mm 2 ) σ Spannung (N/mm 2 ) τ Schubspannungen (N/mm 2 ) 16

19 Infolge des orthotropen Charakters des Holzes werden drei E-Moduln, drei Schubmoduln und sechs Poisson sche Konstanten (Querkontraktionszahlen) unterschieden. KENNGRÖSSEN UND DEREN BESTIMMUNG E-Modul Der Elastizitätsmodul wird bei Normalspannungen (Zug, Druck) nach dem Hooke schen Gesetz bestimmt. Die Kraft muss dabei unterhalb der Proportionalitätsgrenze liegen. Meist wird er durch Biegebelastung (Drei- oder Vierpunktbelastung) ermittelt. Bei der Dreipunktbelastung ist der bestimmte E-Modul vom Verhältnis Stützweite zu Dicke abhängig. Er steigt mit zunehmendem Verhältnis von Stützweite zu Dicke bis zu einer Stützweite von 15 20mal Probendicke an. Denn je geringer das Verhältnis von Stützweite zu Dicke, desto stärkere Schubverformungen treten auf. Der gemessene E-Modul ist dadurch geringer als der bei reiner Biegung bestimmte. Dreipunktbelastung L S 2 F L S 2 f LS 15 h E = L S 3 F 4 b h 3 f L S Vierpunktbelastung F 2 F 2 E = 2 L 3-3 L L 2 +L 3 F 8 b h 3 f L f LS 15 h Bestimmung des E-Moduls bei Biegebelastung Schubmodul Wirkt ein Kräftepaar wie unten abgebildet, treten Schubspannungen auf. Schubspannungen sind auch bei Biegung vorhanden, wenn Querkräfte auftreten (z.b. bei Dreipunktbelastung oder Flächenlast). Schubspannungen können insbesondere bei sandwichartig aufgebauten Werkstoffen (im Vergleich zur Deckschicht wesentlich schubweichere Mittellagen) zum Schubbruch führen. Auch bei Brettschichtholz kann es zum so genannten Rollschub kommen (Abgleiten der Jahrringe an der Grenze Früh-Spätholz). Sehr typisch ist ein Versagen durch Rollschub bei Sperrholz und bei Brettschichtholz in den in RT-Richtung beanspruchten Mittellagen. 17

20 τ γ γ 1 = G τ Bestimmung des Schubmoduls τ Poisson sche Konstante Bei Druck- und Zugbelastung kommt es zu einer Formänderung der Probe in Belastungsrichtung und senkrecht dazu. Bei isotropen Materialien wird die Probe bei Druck kürzer und breiter, bei Zugbelastung länger und schmaler. Dabei gilt: Δb Δl = μ ; b l μ ε quer = ; also z.b. ε längs μ LT εt = ε L μ Poisson sche Konstante (-) ε Dehnung (%) l Länge der Probe b Breite der Probe l Längenänderung b Breitenänderung Es gibt 6 Poisson sche Konstanten. Der 1. Index gibt bei der hier verwendeten Schreibweise die Richtung der Kraft (Längsdehnung), der zweite die Richtung der Querdehnung an Festigkeitseigenschaften Überblick Die Festigkeit ist die Grenzspannung, bei welcher ein Prüfkörper unter Belastung bricht. Es wird nach der Geschwindigkeit des Lasteintrages unterschieden zwischen: statischer Festigkeit (langsamer Kraftanstieg bis zum Bruch) dynamischer Festigkeit (schlagartige Krafteinwirkung oder wechselnde Belastung) Nach der Krafteinleitung wird ferner unterteilt in: Zugfestigkeit Druckfestigkeit Biegefestigkeit Scherfestigkeit Spaltfestigkeit Torsionsfestigkeit Haltevermögen von Verbindungsmitteln (Schrauben, Nägel, etc.). Da Holz eine erhebliche Streuung der Eigenschaften aufweist, wird in der Praxis mit Sicherheitszugaben gearbeitet. Im Bauwesen werden meist die so genannten 5%-Fraktile (oder charakteristischer Wert ) verwendet. Unter Voraussetzung einer Normalverteilung berechnen sich diese folgendermassen: 18

21 unteres 5%-Quantil: 5 %= x s t ; oberes 5%-Quantil: 5 % = x + s t L q U q s t x Standardabweichung Wert der t-verteilung (DIN EN 326-1), dabei muss die Anzahl der Messwerte, die Irrtumswahrscheinlichkeit (im Allgemeinen 5%) und die Aussagewahrscheinlichkeit (im Allgemeinen 95%) berücksichtigt werden Mittelwert Zugfestigkeit Die Zugfestigkeit berechnet sich zu: σ zb F = A max F max Bruchkraft (N) A Querschnittsfläche σ zb Zugfestigkeit (N/mm 2 ) Die Zugfestigkeit wird an kleinen, fehlerfreien Proben nach DIN 52188, an Bauholz nach EN 408 bestimmt. Die Zugfestigkeit senkrecht zur Faserrichtung liegt bei lediglich 5-10% der Zugfestigkeit in Faserrichtung. Querzugbeanspruchung ist daher im Holzbau möglichst zu vermeiden. Gewisse Unterschiede bestehen auch zwischen radialer und tangentialer Richtung. In radialer Richtung macht sich teilweise eine verstärkende Wirkung der Holzstrahlen bemerkbar Druckfestigkeit Die Druckfestigkeit (σ db ) berechnet sich analog der Zugfestigkeit. Bei Druckbelastung ist zwischen der Belastung in Faserrichtung und senkrecht dazu zu unterscheiden. Bei Druck senkrecht zur Faserrichtung wird meist die Spannung bei einer bestimmten Verdichtung/Zusammendrückung (z.b. 5%) geprüft, da sich Holz stark zusammendrücken lässt und kein eigentlicher Bruch entsteht. Die Druckfestigkeit in Faserrichtung von Vollholz liegt etwa bei der Hälfte der Zugfestigkeit. Die Druckfestigkeit senkrecht zur Faserrichtung ist sehr gering. Im Holzbau muss daher bei Querdruckbelastung das senkrecht zur Faserrichtung beanspruchte Element häufig verstärkt werden, um ein Überschreiten der Bruchspannung senkrecht zur Faser zu verhindern Biegefestigkeit Die Biegefestigkeit berechnet sich folgendermassen: σ bb M = W Für einen rechteckigen Querschnitt und eine Dreipunktbiegung gilt: M b W b Biegemoment Widerstandsmoment σ bb Biegefestigkeit (N/mm 2 ) F max Bruchkraft (N) l s Stützweite b Probenbreite h Probenhöhe b b σ bb 3Fmax l = 2 b h Die gebräuchlichsten Belastungsfälle sind der Dreipunkt-Versuch (Träger auf 2 Stützen mit mittiger Einzellast) und der Vierpunkt-Versuch (Träger auf 2 Stützen und Krafteinleitung über 2 Kräfte). Bei Biegung treten Zug- und Druckspannungen in den Randzonen auf. Je nach Belastungsfall sind bei Einwirkung von Querkräften (z.b. bei Dreipunktbiegung) Schubspannungen vorhanden, die in der neutralen Faser das Maximum erreichen. s 2 19

22 Normal- und Schubspannungen bei Dreipunktbiegung Bei der Vierpunktbelastung ist der mittlere Bereich zwischen den beiden Kräften schubspannungsfrei. Schubspannungen treten dort nur in den Randbereichen zwischen den Auflagern und dem Krafteintrag auf. Daher kann bei Vierpunktbelastung unter Zugrundelegung der Durchbiegung im schubspannungsfreien Bereich ein E-Modul bei reiner Biegung ermittelt werden. Bei Dreipunktbelastung ist das Ergebnis dagegen durch die auftretenden Querkräfte immer vom Schubeinfluss überlagert. Der Biege-E-Modul ist also in diesem Falle vom Verhältnis Stützweite zu Dicke abhängig. Mit zunehmender Belastung verschiebt sich infolge der Unterschiede zwischen Zugund Druckfestigkeit bei Vollholz die Spannungsnulllinie in Richtung Zugzone, bei Holzpartikelwerkstoffen ist dies nicht der Fall, da Zug- und Druckfestigkeit etwa in gleicher Grössenordnung liegen Scherfestigkeit Die Scherfestigkeit ist der Widerstand, den ein Körper einer Verschiebung zweier aneinander liegender (angrenzender) Flächen entgegensetzt. Bei Scherbelastung wirken zwei gegenläufig angreifende Kräftepaare. Die Scherfestigkeit berechnet sich zu: σ scher = F max a b σ scher Scherfestigkeit (N/mm 2 ) F max Bruchlast (N) a, b Querschnittsabmessungen Es gibt analog zu den drei Schnittebenen von Holz drei Scherebenen, die jeweils durch Belastung quer und senkrecht zur Faserrichtung entstehen können. Innerhalb (Scherfläche LR oder LT) einer Scherebene ist die Scherfestigkeit bei Belastung parallel zur Faserrichtung grösser als diejenige senkrecht zur Faserrichtung. Beim Scheren in der Hirnfläche (Belastung senkrecht zur Faser; Scherfläche RT) kommt es zunächst zu einer starken Verdichtung des Holzes, da die Druckfestigkeit senkrecht zur Faser gering ist, erst danach zum Scheren, wobei beim Bruch eine starke Strukturauflösung stattfindet. Ein eigentlicher Scherbruch wird in dieser Scherebene kaum erreicht. Es wird dabei letztlich die Scherfestigkeit des verdichteten Holzes geprüft Rheologische Eigenschaften Holz ist viskoelastisch, d.h. alle seine Eigenschaften sind zeitabhängig. Es wird unterschieden zwischen: Kriechen Spannungsrelaxation Dauerstandfestigkeit KRIECHEN Wird eine Probe durch eine konstante Last beansprucht, so nimmt das Ausmass der Formänderung mit der Zeit zu. Dabei treten folgende Phasen auf: 20

23 Primärkriechen Sekundärkriechen Tertiärkriechen In der Primärphase steigt die Kriechverformung zunächst stetig an. In der Sekundärphase kommt es zu einer Stabilisierung der Kriechverformung. Wird die Spannung erhöht, kommt es zum Tertiärkriechen und schliesslich zum Bruch. Dieser zeichnet sich bereits frühzeitig durch einen progressiven Anstieg der Kriechverformung ab. Phasen der Kriechverformung Als Kenngrösse für die Kriechverformung wird meist die dimensionslose Kriechzahl verwendet. Dabei gilt: ϕ = ft f f 0 0 ϕ Kriechzahl f t zeitabhängige Durchbiegung f 0 elastische Durchbiegung Senkrecht zur Faserrichtung wird etwa die 8-fache Kriechzahl erreicht wie parallel zur Faserrichtung. Folgende Rangordnung ergibt sich bezüglich der Grösse der Kriechverformung (von oben nach unten zunehmend): Vollholz Schichtholz, LVL, Parallam Sperrholz, Massivholzplatte OSB Spanplatte MDF, HDF, harte Faserplatte (Nassverfahren) Das Verhältnis der Kriechverformung von Vollholz : Spanplatte : Faserplatte beträgt etwa 1 : 4 : 5. Mit zunehmender Holzfeuchte steigt die Kriechverformung im Konstantklima deutlich an. Im Wechselklima (wechselnde relative Luftfeuchtigkeit) kommt es zur Überlagerung des Quellverhaltens (und daraus resultierender innerer Spannungen) und des durch die (äussere) Belastung bewirkten Kriechens. Dieser Effekt wird auch als mechanosorptives Kriechen bezeichnet. Dadurch kann die Kriechverformung z.b. bei Vollholz bei Biegebelastung in der Trocknungsphase (Kriechen und Schwinden des Holzes) steigen und in der Durchfeuchtungsphase (Kriechen und Quellen) sinken. Dieser Effekt bei Biegebelastung wird als Kriechphänomen bezeichnet. Bei Spanplatten und MDF tritt er nicht auf. Der Effekt wird deutlich durch die Dauer der Klimaeinwirkung, den Probenquerschnitt und die Höhe der Last beeinflusst. Eine Erhöhung der Last bewirkt einen Anstieg der Kriechverformung. Die Kriechzahl von Vollholz liegt im Normalklima in Faserrichtung bei 0,1-0,3 und senkrecht zur Faserrichtung bei 0,8-1,6. Durch Oberflächenbeschichtung und die damit einhergehende Reduzierung der Feuchteaufnahme kann das Kriechverhalten vermindert werden. 21

24 SPANNUNGSRELAXATION Wird eine Probe konstant verformt, so sinkt die zur Aufrechterhaltung der Verformung erforderliche Spannung mit zunehmender Zeit ab. Man spricht dabei von Spannungsrelaxation. Sie tritt z.b. bei vorgespannten Holzkonstruktionen (z.b. Brücken) auf und liegt etwa in der Grössenordnung der Kriechverformung. Wechselndes Klima hat Einfluss auf die Spannungsrelaxation: Spannungs- und Feuchteverlauf in vorgespanntem Brettschichtholz In der Trocknungsphase sinkt die Spannung (hervorgerufen durch das Schwinden), in der Befeuchtungsphase steigt sie. Mit steigender Zyklenanzahl sinkt die Spannung deutlich ab. Zwischen Konstant- und Wechselklima bestehen deutliche Unterschiede. Die Verbindungen müssen also kontrolliert nachgespannt werden. Häufig werden die Vorspannelemente eingeklebt. Dabei zeigte sich, dass z.b. beim Einleimen von Buchenholz mit 0,5 N/mm 2 Vorspannung in Brettschichtholz mindestens ein Bewehrungsfaktor von 0,4% (Volumen des eingeklebten Vorspannelementes zum Volumen des zu bewehrenden Holzes ohne Bohrung) erforderlich ist. Die durch die Armierung erreichbare Dimensionsstabilisierung betrug etwa 83%. DAUERSTANDFESTIGKEIT Die Dauerstandfestigkeit ist die Spannung, mit der ein Werkstoff bei unendlich langer statischer Belastung gerade noch belastet werden kann ohne zu brechen. Auch hier wirken die gleichen Einflussgrössen, die bereits für das Kriechen und die Relaxation beschrieben wurden. Die Dauerstandfestigkeit liegt im Normalklima bei ca. 60% der Kurzzeitfestigkeit. RHEOLOGISCHE MODELLE Zur Beschreibung des rheologischen Verhaltens werden oft rheologische Ersatzmodelle verwendet. Diese bestehen aus elastischen (Federn) und viskosen Elementen (zähes Fliessen in einem Dämpfer), die in verschiedenen Kombinationen zusammengeschaltet werden. Häufig wird das Burgers-Modell verwendet. 22

25 3.4 Zusammenstellung der Eigenschaften von n Physikalisch-mechanische Eigenschaften Physikalische Eigenschaften Verhalten gegenüber Feuchte Hygroskopizität (Sorptionsverhalten, Diffusion, kapillare Wasseraufnahme) Quellen und Schwinden Dichte Thermische Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit/Wärmekapazität Wärmeausdehnung Brandverhalten Elektrische Eigenschaften (Elektrische und dielektrische Eigenschaften) Akustische Eigenschaften Schallausbreitung (Dämpfung, Schallgeschwindigkeit) Optische Eigenschaften Farbe/Verfärbungen (Nachdunkeln, Ausbleichen) Reibung Elastomechanische Eigenschaften Elastische Eigenschaften E-Modul Schubmodul Poisson sche Konstanten Festigkeitseigenschafen Zugfestigkeit Druckfestigkeit Biegefestigkeit Scherfestigkeit Spaltfestigkeit Torsionsfestigkeit Haltevermögen von Verbindungsmitteln Weitere: Schlagzähigkeit Bruchschlagarbeit Wechselfestigkeit Bruchzähigkeit / Bruchenergie Härte (Brinell/Janka) Rheologische Eigenschaften Kriechen Relaxation Dauerstandfestigkeit Biologische Eigenschaften Beständigkeit gegenüber Pilzen, Insekten, Bakterien Chemische Eigenschaften ph-wert Inhaltsstoffe (Art und Anteil) 23

26 3.5 Wichtige Normen zur Holzphysik Allgemeine Normen DIN EN Symbole für ; Deutsche Fassung EN 1438:1998 DIN EN Rund- und Schnittholz Nomenklatur der in Europa verwendeten Handelshölzer; Dreisprachige Fassung EN 13556:2003 Sortierung nach der Tragfähigkeit E DIN Sortierung von Holz nach der Tragfähigkeit Teil 1: Nadelschnittholz / Achtung: Vorgesehen als Ersatz für DIN ( ) DIN Bauholz für Holzbauteile; Gütebedingungen für Baurundholz (Nadelholz) E DIN Sortierung von Holz nach der Tragfähigkeit Teil 3: Apparate zur Unterstützung der visuellen Sortierung von Schnittholz; Anforderungen und Prüfung / Achtung: Vorgesehen als Ersatz für DIN ( ) E DIN Sortierung von Holz nach der Tragfähigkeit Teil 4: Nachweis der Eignung zur apparativ unterstützten Schnittholzsortierung / Achtung: Vorgesehen als Ersatz für DIN ( ) E DIN Sortierung von Holz nach der Tragfähigkeit Teil 5: Laubschnittholz / Achtung: Vorgesehen als Ersatz für DIN ( ) Prüfung DIN Prüfung von Holz; Probenahme, Grundlagen DIN Bestimmung der Wuchseigenschaften von Nadelholz (vgl. DIN EN 1310) DIN Prüfung von Holz; Bestimmung der Rohdichte DIN Prüfung von Holz; Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes DIN Prüfung von Holz; Bestimmung der Quellung und Schwindung DIN Prüfung von Holz; Bestimmung der Druckfestigkeit parallel zur Faser DIN Prüfung von Holz; Biegeversuch DIN Prüfung von Holz; Bestimmung der Scherfestigkeit in Faserrichtung DIN Prüfung von Holz; Bestimmung der Zugfestigkeit parallel zur Faser DIN Prüfung von Holz; Schlagbiegeversuch; Bestimmung der Bruchschlagarbeit DIN Prüfung von Holz; Druckversuch quer zur Faserrichtung DIN Bestimmung von Gütemerkmalen von Laubholz (vgl. DIN EN 1310) DIN EN Parkett und andere Holzfussböden Bestimmung der Biegeeigenschaften Prüfmethode; Deutsche Fassung EN 1533:2000 DIN EN Parkett und andere Holzfussböden Bestimmung des Eindruckwiderstandes (Brinell) Prüfmethode; Deutsche Fassung EN 1534:

27 DIN EN Parkett und andere Holzfussböden und Wand- und Deckenbekleidungen aus Holz Bestimmung der Dimensionsstabilität; Deutsche Fassung EN 1910:2000 Messung DIN EN Rund- und Schnittholz Verfahren zur Messung der Masse Teil 1: Schnittholz; Deutsche Fassung EN :1997 DIN EN Rund- und Schnittholz Verfahren zur Messung der Masse Teil 2: Rundholz Anforderungen an die Messung und Regeln zur Volumenberechnung; Deutsche Fassung EN :2006 DIN EN Rund- und Schnittholz Messung der Merkmale; Deutsche Fassung EN 1310:1997 DIN EN Rund- und Schnittholz Verfahren zur Messung von Schädlingsbefall; Deutsche Fassung EN 1311:1997 DIN EN Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz Teil 1: Bestimmung durch Darrverfahren; Deutsche Fassung EN :2002 DIN EN Berichtigung Berichtigungen zu DIN EN : DIN EN Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz Teil 2: Schätzung durch elektrisches Widerstands-Messverfahren; Deutsche Fassung EN :2002 DIN EN Berichtigung Berichtigungen zu DIN EN : DIN EN Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz Teil 3: Schätzung durch kapazitives Messverfahren; Deutsche Fassung EN :2005 Verzeichnis Internationaler Normen der ISO für Vollholz (DIN-Normen zum selben Thema in Klammern) ISO Nadelschnittholz; Fehler; Messung (E, F, R) (DIN EN 1310) ISO Nadelschnittholz; Fehler; Begriffe und Definitionen (E, F, R) (vgl. DIN EN 844-3) ISO Holz; Stichprobenverfahren und allgemeine Anforderungen an physikalische und mechanische Prüfungen ISO Holz; Feuchtigkeitsbestimmung bei physikalischen und mechanischen Prüfungen ISO Holz; Dichtebestimmungen bei physikalischen und mechanischen Prüfungen (DIN 52182) ISO Holz; Bestimmung der Druckfestigkeit senkrecht zur Faserrichtung (DIN 52192) ISO Holz; Bestimmung der Biege(bruch)festigkeit bei statischer Belastung (DIN 52186) ISO Holz; Bestimmung der maximalen Zugspannung (Bruchspannung) parallel zur Faser (DIN 52188) ISO Holz; Bestimmung der höchsten Scherspannung (Scherbruchspannung) parallel zur Faser (DIN 52187) ISO Holz; Bestimmung der Schlagbiegefestigkeit (DIN ) 25

28 A1 Praktikums-Ablauf Bitte mitbringen (!): 1 Laptop, 1 Memory-Stick, 1 Digitalkamera 1. THEORIE Einführung ins Praktikum (Schwerpunkte, Formelles, Normen, Standardwerke) (20 Min.) 2. VERSUCHE Quellung Quellung von Holz (radial, tangential; DIN ) und Holzwerkstoffen (Dickenquellung und Quellung in Plattenebene; DIN EN 317) nach 2 Stunden Wasserlagerung an 2 Proben je Holzart bzw. Holzwerkstoff. (30 Min.) Ausgangszustand der Proben: Lagerung im Normalklima (20 C, 65% relative Luftfeuchte). Dies entspricht ca. 12% Holzfeuchte bei einheimischen Holzarten bzw. einer Feuchte von 9.5% bei Spanplatten und OSB und 8.5% bei MDF. Versuchsmaterial: 2x Fichte 2x Buche 2x OSB 2x Spanplatte 2x MDF Zu ermitteln je Probe: Rohdichten (bei Normalklima und nach Wasserlagerung gemäss DIN ) Wasseraufnahme (in % bezogen auf Darrmasse unter Annahme der oben aufgeführten Ausgangsfeuchten) Quellung (in % bezogen auf Ausgangslängen) Auswertung (Bericht): Einzelwerte, Mittelwerte Interpretation der Werte bezüglich Anisotropie/Homogenität der Werkstoffe (Vergleich mit Literaturwerten (Sell 1997 (Tabelle 3), Wagenführ 2007, Niemz 1993 (S. 55, 212, 213)) Vergleich des Vollholzes mit den Holzwerkstoffen sowie Begründung des unterschiedlichen Verhaltens Druckprüfung Druckprüfung von Vollholz in axialer (DIN ), radialer und tangentialer Richtung (DIN ; radial und tangential: bis 5% Stauchung) sowie von Holzwerkstoffen in Plattenebene (DIN ) an je 2 Proben pro Richtung bei Vollholz bzw. bei den Holzwerkstoffen. (40 Min.) Versuchsmaterial: 2x Fichte axial 2x Fichte radial 2x Fichte tangential 2x Spanplatte 2x MDF Zu ermitteln je Probe: Rohdichte (gemäss DIN ) Druckfestigkeit Druck-E-Modul Kurvenverlauf (Spannungs-Dehnungs-Diagramm) 26